【摘 要】
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超级电容器具有较高的功率密度、较长的循环寿命以及较低的成本等优势,是新一代小型化、可穿戴智能柔性电子设备的理想供电装置。金属有机框架(MOFs)由于其优异的特性(多孔结构、比表面积大、丰富的活性位点、结构易调整等)而成为柔性可穿戴式超级电容器的新型电极材料。但大多数MOFs的固有导电性较差,导致低电容容量;少数高电导率的MOFs在种类、制备条件、产率及开发成本等方面也有所限制;此外,将MOFs作为
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超级电容器具有较高的功率密度、较长的循环寿命以及较低的成本等优势,是新一代小型化、可穿戴智能柔性电子设备的理想供电装置。金属有机框架(MOFs)由于其优异的特性(多孔结构、比表面积大、丰富的活性位点、结构易调整等)而成为柔性可穿戴式超级电容器的新型电极材料。但大多数MOFs的固有导电性较差,导致低电容容量;少数高电导率的MOFs在种类、制备条件、产率及开发成本等方面也有所限制;此外,将MOFs作为牺牲模板制备多孔碳或金属氧化物等电极材料容易造成结构坍塌导致比表面积降低。为解决这些瓶颈,MOFs与其他导电材料的复合是在不牺牲MOFs高比表面积优势的条件下,赋予MOFs高导电性、提高电容性能的一条有效策略;其中,导电聚吡咯(PPy)具有良好的导电性能、成本较低、容易合成等优势。因此,本论文对基于导电聚吡咯与MOFs复合材料的制备及其应用于柔性全固态超级电容器进行了相关研究,主要研究内容包括:1、通过溶剂热法制备了Cu3(2,3,6,7,10,11-六羟基三亚苯)2 MOF(Cu-CAT)与多孔聚吡咯(p-PPy)复合电极材料。Cu-CAT具有一定的导电性,以纳米棒状堆积的颗粒结构沉积在多孔聚吡咯的孔内外。p-PPy的三维多孔结构有助于电解液的扩散,实现良好的传质,电子传输路径更加多元化,为Cu-CAT提供了充足的负载位点及有效的导电骨架。基于该复合材料的柔性全固态超级电容器,实现了233 m F cm-2的比电容、最大功率密度1.5 m W cm-2和最大能量密度12μWh cm-2,在超过5000次循环充/放电后电容保持率高于85%;同时该器件展现出较宽的工作温度范围和良好的机械柔性。2、前一部分工作中p-PPy/Cu-CAT复合材料呈块状,在制备柔性电极时以碳布为基底并需要粘结剂,同时Cu-CAT为纳米棒状堆积的颗粒结构,容易团聚,不利于电解液扩散。本工作采用电沉积、溶剂热两步法,实现了大规模制备PPy空心泡沫负载Ni-MOF纳米线复合材料,其中PPy泡沫的骨架呈空心结构,Ni-MOF纳米线生长于骨架表面及内部,实现了Ni-MOF的高负载。该结构中有序的Ni-MOF纳米线阵列能够提供一定的导电性和较高的比表面积,而柔性PPy空心泡沫的三维多孔网络有利于离子的快速扩散和电子的高效传输。此复合材料可直接作为柔性电极,无需任何基底、导电剂和粘结剂,电极的比电容高达1050 m F cm-2。基于PPy HF/Ni-MOF-NWs的柔性全固态超级电容器具有优异的电化学性能、良好的循环稳定性、耐温性、机械柔性和较宽的工作温度范围,并且该器件可制成表带以驱动电子手表,具有可穿戴设备应用潜力。
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